ANALISIS PERCEPATAN PENUAAN ISOLASI AKIBAT PENGARUH KELEMBABAN DAN KONTAMINAN PADA MOTOR INDUKSI BERBEBAN - ITS Repository

  TESIS – TE142599

ANALISIS PERCEPATAN PENUAAN ISOLASI

AKIBAT PENGARUH KELEMBABAN DAN KONTAMINAN PADA MOTOR INDUKSI BERBEBAN DAPIS 2213201202 DOSEN PEMBIMBING Dr. Dimas Anton Asfani, ST, MT. Dr. Eng. I Made Yulistia N., ST, M.Sc PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN TEKNIK SISTEM TENAGA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2016

  TESIS – TE142599

ANALYSIS DETERIORATION OF INSULATION

DUE TO THE EFFECT OF MOISTURE AND CONTAMINATION IN LOADED

  INDUCTION MOTOR DAPIS 2213201202 ADVISOR Dr. Dimas Anton Asfani, ST, MT.

  Dr. Eng. I Made Yulistia N., ST, M.Sc

MAGISTER PROGRAM POWER SYSTEM ENGINEERING DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY SEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGY SURABAYA 2016

  

ANALISIS PERCEPATAN PENUAAN ISOLASI AKIBAT

PENGARUH KELEMBABAN DAN KONTAMINAN

PADA MOTOR INDUKSI BERBEBAN

  Nama Mahasiswa : Dapis NRP : 2213201202 Pembimbing : Dr. Dimas Anton Asfani, ST, MT.

  : Dr. Eng. I Made Yulistia N., ST, M.Sc

  

ABSTRAK

  Kerusakan motor induksi merupakan masalah yang serius dalam dunia industri. Salah satu penyebab kerusakan tersebut ialah penurunan kualitas isolasi. Pembebanan terus-menerus dan faktor lingkungan seperti pengaruh kelembaban dan kontaminan dapat mempengaruhi penurunan kualitas isolasi (deterioration). Meskipun isolasi dirancang mampu bertahan dari tekanan (stressed), namun tekanan berlebihan akan mempercepat penuaan isolasi. Hal ini menyebabkan kinerja motor menurun sehingga mengganggu proses produksi dan menambah biaya maintanace. Oleh karena itu, percepatan penuaan isolasi motor harus diantisipasi sedini mungkin. Pada penelitian ini, eksperimen percepatan penuaan isolasi motor induksi dilakukan dalam keadaan berbeban dengan pengaruh kelembaban tinggi dan efek kontaminan. Metode yang digunakan untuk mengevaluasi kondisi motor adalah polarization index (PI), tes respon osilasi

  

(surge test) dan pengukuran LCR meters. PI digunakan untuk mengetahui nilai

  indek polarisasi dan tahanan belitan isolasi melalui empat arus searah yang terukur saat pengujian. Tes respon osilasi digunakan untuk mengetahui perbedaan kualitas isolasi berdasarkan respon belitan terhadap gelombang osilasi dengan metode Error Area Ratio (EAR). Sedangkan pengukuran LCR meters digunakan untuk mendeteksi nilai induktansi, kapasitansi dan resistansi yang timbul akibat pengaruh kelembaban dan kontaminan didalam belitan stator. Selanjutnya nilai PI, respon osilasi dan pengukuran LCR meters dibandingkan, sehingga didapat grafik kecenderungan kerusakan. Berdasarkan hasil pengujian, metode EAR lebih cepat mendeteksi penurunan belitan isolasi sebesar 30,5% pada pengujian ke 2. Sementara itu nilai PI mampu mendeteksi pada pengujian ke 4. Sedangkan LCR

  

meters tidak mendeteksi nilai induktansi, kapasitansi dan resistansi secara

signifikan.

  

Kata Kunci : Percepatan Penuaan, Tahanan Isolasi, Kelembaban Tinggi, Efek

  Kontaminan, Polarization Indeks (PI) , Tes Respon Osilasi, Pengukuran LCR meters.

  

ANALYSIS OF INSULATION DETERIORATION DUE TO

THE EFFECT OF HUMIDITY AND CONTAMINANTS

IN LOADED INDUCTION MOTOR

  Name : Dapis NRP : 221320202 Advisor : Dr. Dimas Anton Asfani, ST, MT.

  : Dr. Eng. I Made Yulistia N., ST, M.Sc ABSTRACT Induction motor damage is a serious problem in the industrialized world.

  One cause of the malfunction is a decrease in the quality of the insulation. Imposition constantly and environmental factors such as the influence of moisture and contaminants can affect a decrease in the quality of the insulation (deterioration). Although the insulation is designed able to withstand the pressure (stressed), but excessive pressure will accelerate the aging of insulation. This leads to decreased motor performance so that disrupt the production process and increase the maintanace cost. Therefore, the accelerated aging of the motor insulation should anticipated quickly and precisely. In this research, insulation deterioration is investigated in the loaded induction motor with high humidity and contaminants effect. The method used to evaluate the condition of the motor is the polarization index (PI), the test response oscillations (surge test) and LCR meters measurements. PI is used to determine the index values of polarization and isolation of prisoners winding through four direct current that is measured during testing. Oscillation response test used to determine differences in the quality of the winding insulation based on the response to the wave oscillation method error area ratio (EAR). While the measurement LCR meters are used to detect the value of inductance, capacitance and resistance arising from the influence of moisture and contaminants in the stator winding.Furthermore the value of PI, the response oscillation and measurement LCR meters are compared, in order to get the graph tendency damage. Based on test results, EAR faster method to detect a decrease of 30.5% winding insulation on testing to 2. Meanwhile, the value of PI is able to detect the test to 4. While the LCR meters did not detect the value of inductance, capacitance and resistance significantly.

  

Keywords : Acceleration Aging, Insulation Resistance, High Humidity, Effect

Contaminants, Polarization Index (PI) and Test Response Oscillation.

  KATA PENGANTAR Alhamdulillah, sesungguhnya segala puji hanya bagi Allah atas segala rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tesis yang berjudul :

  

“Analisis Percepatan Penuaan Isolasi Akibat Pengaruh Kelembaban Dan

Kontaminan Pada Motor Induksi Berbeban ”

  Tesis ini disusun sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Magister Teknik pada bidang keahlian Teknik Sistem Tenaga, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

  Akhir kata pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

  1. Almarhum kedua orang tua penulis, Ayahanda H. Muhammad Nur dan Ibunda Hatijah yang telah melahirkan dan membesarkan dengan semangat agar anak-anaknya memiliki sekolah yang tinggi.

  2. Istri tercinta Fitriyani Yakub bersama anakku tersayang Abu Raihan Dapis, serta kakak tercinta ayuk Senang, kak Mahmud, ayuk Sundusia dan Siti Zubaidah (Mundu), serta semua keluarga besar yang selalu memberikan doa dan motivasi selama mengikuti proses perkuliahan di Surabaya hingga mengerjakan tesis.

  3. Bapak Dr. Dimas Anton Asfani, ST, MT, dan Dr. Eng. I Made Yulistia N., ST, M.Sc, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meberikan arahan dan bimbingan selama proses pembuatan tesis dan selama perkulihaan di bidang Teknik Sistem Tenaga.

  4. Dr. Ardyono Priyadi, ST., M.Eng., selaku dosen wali dan seluruh dosen pengajar Magister Teknik Elektro Bidang Keahlian Teknik Sistem Tenaga yang telah memberikan ilmu dan pengalamannya di bidang kelistrikan. v

  5. Universitas Ichsan Gorontalo yang telah memberikan Bantuan Studi di awal semester dan Gaji sebagai tenaga pendidik yang sangat membantu kelangsungan perkuliahan.

  6. Teman-teman seperjuangan S2 angkatan tahun 2013, 2014 dan 2015 yang tidak dapat disebutkan, yang telah memberikan kenangan dan pelajaran berharga saat kuliah di Teknik Elektro Bidang Keahlian Teknik Sistem Tenaga ITS.

  7. Seluruh member Lab. Tegangan Tinggi baik mahasiswa S3, S2 dan S1 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu dalam menyelesaikan tesis ini. Semoga tesis ini dapat bermanfaat dan Semoga Allah SWT, membalas semua kebaikan kepada semua pihak yang membantu terselesainya tesis ini.

  Surabaya, Januari 2016 Dapis vi

  DAFTAR ISI

  BAB 3 METODE PENELITIAN .................................................................................17

  3.3.2 Pengukuran nilai EAR .......................................................................27

  3.3.1 Pengukuran nilai PI ............................................................................26

  3.3 Pengukura Kualitas Isolasi ..........................................................................26

  3.2.1 Pengujian dengan kelembaban dan kontaminan. ...............................25

  3.2.1 Pengujian dengan kelembaban ...........................................................21

  3.2 Kontruksi Pengujian ....................................................................................19

  3.1.2 Pengujian tegangan surja ...................................................................18

  3.1.1 Alat percepatan isolasi .......................................................................18

  3.1 Desain Pengujian.........................................................................................17

  2.4 Standar Pengujian Alat ................................................................................13

  LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................................i SURAT PERNYATAAN KEASLIAN TESIS ...............................................................ii ABSTRAK .....................................................................................................................iii KATA PENGANTAR ....................................................................................................v DAFTAR ISI .................................................................................................................vii DAFTAR GAMBAR .....................................................................................................ix DAFTAR TABEL ..........................................................................................................xi SIMBOL DAN SINGKATAN......................................................................................xii

  2.3.2 Tes respon osilasi .................................................................................9

  2.3.1 Pengujian tahanan isolasi .....................................................................6

  2.3 Diagnosis Kondisi Isolasi..............................................................................6

  2.2 Penurunan Kualitas Isolasi ............................................................................5

  2.1 Kontruksi dan Isolasi Stator .........................................................................4

  BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA .....................................................................................3

  1.3 Tujuan Penelitian ..........................................................................................2

  1.2 Perumusan Masalah ......................................................................................2

  1.1 Latar Belakang ..............................................................................................1

  BAB 1 PENDAHULUAN ..............................................................................................1

  3.3.3 Pengukuran nilai LCR ........................................................................28

  BAB 4 HASIL PERCOBAAN DAN ANALISIS ........................................................ 29

  4.1 Skema Percobaan ........................................................................................ 29

  4.1.1 Percobaan kelembaban tinggi ............................................................ 29

  4.1.2 Percobaan kelembaban dengan kontaminasi garam .......................... 30

  4.2 Hasil Pengukuran ........................................................................................ 30

  4.2.1 Pengukuran nilai PI ........................................................................... 30

  4.2.2 Pengukuran nilai EAR ....................................................................... 33

  4.2.3 Pengukuran nilai LCR ....................................................................... 36

  4.3 Analisis ....................................................................................................... 39

  BAB 5 KESIMPULAN ................................................................................................ 43

  5.1 Kesimpulan ................................................................................................. 43

  5.2 Kelanjutan penelitian .................................................................................. 43 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................... 45 BIOGRAFI PENULIS ................................................................................................ 47 ADDENDUM ............................................................................................................... 49

  INDEKS ....................................................................................................................... 51

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konstruksi stator jenis random-wound stator .................................... 3 Gambar 2.2

  Kontruksi stator form-wound stator : (a) menggunakan multi turn (b) menggunakan roebel baers .................................................. 5

  coils

Gambar 2.3 Tegangan impuls surja ....................................................................... 5 Gambar 2.4

  A. Kontruksi pengujian tes surja dan b. Rangkaian ekivalen dari tes respon osilasi ...................................................................................... 5

Gambar 2.5 Rangkaian Cockcroft-Walton Multiplier ............................................ 6Gambar 2.6 Alat percepatan penuaan isolasi ......................................................... 7 Gambar 2.7

  Pengujian pembangkit tegangan surja ................................................ 7

  Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ................................................................... 14 Gambar 3.2 Desain alat uji percepatan penuan isolasi ....................................... 15 Gambar 3.3 Diagram alur alat pengujian ........................................................... 17 Gambar 3.4 Perangkat pembangkit tegangan surja ............................................ 17 Gambar 3.5 Diagram alur pengujian surja ......................................................... 18 Gambar 3.6 A. Megger”Digital Insulation Tester” MIT 400 dan b. Sanwa

  “Digital LCR 700” .......................................................................... 18

  Gambar 3.7 Motor induksi dan generator tiga fasa ............................................ 18 Gambar 3.8 Set Lampu ....................................................................................... 19 Gambar 3.9 Sensor temperature LM35 .............................................................. 20 Gambar 3.10 Modifikasi Chasing ....................................................................... 20 Gambar 3.11

   Pengukuran nilai PI tahanan isolasi motor menggunakan Megger

  MIT 400. ....................................................................................... 21

  Gambar 3.12 Pengujian surja dengan mengukur nilai EAR terhadap belitan .... 22 Gambar 3.13 Pengukuran nilai RLC pada (a). Belitan per fasa (b). antar fasa .. 22

Gambar 4.1 Tranding penurunan nilai tahanan isolasi pada pengujian kondisi

  kelembaban tinggi ............................................................................ 35

Gambar 4.2 Tranding penurunan nilai tahanan isolasi pada pengujian kondisi

  kontaminan garam. ........................................................................... 36

  Gambar 4.3

  Gelombang LL EAR pada pengujian kontaminan hari ke dua ........ 41

Gambar 4.4 Gelombang LL EAR pada pengujian kontaminan hari ke lima ....... 41

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Definisi nilai PI yang terukur (Fluke Corperation, 2007). .................... ..8Tabel 2.2 Hasil pengujian pada alat percepatan penuaan isolasirdhika, 2015).... ..14Tabel 2.3 Hasil analisis EAR dengan variasi kapasitansi (Nugroho, 2015). ........ .15Tabel 3.1 Spesifikasi motor induksi. .................................................................... ..22Tabel 3.2 Skema percobaan pengaruh kelembaban tinggi. .................................. ..24Tabel 3.3 Skema percobaan pengaruh kelembaban dan kontaminan. ................. ..25Tabel 3.4 Skema percobaan pengaruh kelembaban dan kontaminan. (Lanjutan)..26Tabel 4.1 Hasil percobaan pertama untuk motor dengan pengaruh kelembaban tinggi. ................................................................................................................... ..29Tabel 4.2 Hasil percobaan kedua untuk motor dengan pengaruh kelembaban dengan kontaminasi garam. ................................................................................. ..30Tabel 4.3 Hasil pengukuran tahanan isolasi pada skema percobaan untuk motor dengan pengaruh kelembaban tinggi.................................................................... ..31Tabel 4.4 Hasil pengukuran tahanan isolasi pada skema percobaan untuk motor dengan pengaruh kelembaban dan kontaminasi................................................... ..31Tabel 4.4 Hasil pengukuran tahanan isolasi pada skema percobaan untuk motor dengan pengaruh kelembaban dan kontaminasi. (Lanjutan) ................................ ..31Tabel 4.5 Hasil pengukuran PI pada motor dengan pengaruh kelembaban tinggi dan kontaminan garam menggunakan megger...................................................

  …32

Tabel 4.6 Hasil pengukuran nilai luasan pada motor dengan pengaruh kelembaban menggunakan pengujian surja

  …………. ............................................................. ..33

Tabel 4.7 Hasil pengukuran nilai Test-Ref EAR dengan pengaruh kelembaban menggunakan pengujian surja. ............................................................................. ..34Tabel 4.8 Hasil pengukuran nilai Line to Line EAR dengan pengaruh kelembaban menggunakan pengujian surja. ............................................................................. ..34

  xi

  Tabel 4. 9 Hasil pengukuran nilai luasan pada motor dengan pengaruh kontaminan menggunakan pengujian surja. ...........................................................................

  …35

Tabel 4.10 Hasil pengukuran nilai Test-Ref EAR dengan pengaruh kontaminan menggunakan pengujian surja. ............................................................................. ..35Tabel 4.11 Hasil pengukuran nilai Line to Line EAR dengan pengaruh kontaminan menggunakan pengujian surja. ...........................................................................

  …36

Tabel 4.12 Hasil pengukuran induktansi pada motor dengan pengaruh kelembaban tinggi menggunakan sanwa LCR 700. ................................................................. ..37Tabel 4.13 Hasil pengukuran kapasitansi pada motor dengan pengaruh kelembaban tinggi menggunakan sanwa LCR 700. ............................................. ..37Tabel 4.14 Hasil pengukuran resistansi pada motor dengan pengaruh kelembaban tinggi menggunakan sanwa LCR 700. ................................................................. ..37Tabel 4.15 Hasil pengukuran induktansi pada motor dengan pengaruh kelembaban disertai kontaminan garam menggunakan sanwa LCR 700. ................................ ..38Tabel 4.16 Hasil pengukuran kapasitansi pada motor dengan pengaruh kelembaban disertai kontaminan garam menggunakan sanwa LCR 700. ........... ..38Tabel 4.17 Hasil pengukuran resistansi pada motor dengan pengaruh kelembaban disertai kontaminan garam menggunakan sanwa LCR 700. .................................. 38

  xii

SIMBOL DAN SINGKATAN

  C Kapasitansi

  CWM Cockcroft-Walton Multiplier EAR Error Area Ratio

  Nilai pembacaan tegangan DC (volt)

  ( ) Frekuensi (Hz)

  (1)

  Nilai poin ke-i pada gelombang referensi

  (2)

  Nilai poin ke-i pada gelombang pengujian

  IEC International Electrotechnical Commission

  IEEE

  IR Insulation Resistance (MΩ)

  Nilai tahanan isolasi pada waktu satu menit

  (MΩ)

  1 Nilai tahanan isolasi pada waktu sepuluh menit (MΩ)

  10 Nilai arus (

  )

  ( )

  kV Kilo Volt kW Kilo Watt L Induktansi L-L EAR Line to Line Error Area Ratio MVA Mega Volt Amper xiii xiv NEMA National Electrical Manufacturers Association

  PI Polarization index

  P-P EAR

  Pulse to Pulse Error Area Ratio

  R Resistansi

  Test-Ref EAR Test Referensi Error Area Ratio

  U1 Ujung Belitan fasa U pertama U2 Ujung Belitan fasa U kedua

  V1 Ujung Belitan fasa V pertama

  V2 Ujung Belitan fasa V kedua W1 Ujung Belitan fasa W pertama W2 Ujung Belitan fasa V kedua

BAB 1 PENDAHULUAN Pada bab ini, akan dibahas latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan penelitian dan kontribusi penelitian.

1.1. Latar Belakang

  Pemeliharaan motor induksi secara rutin bertujuan untuk mempertahankan kondisi peralatan sehingga dapat dioperasikan dengan baik. Seiring dengan bertambahnya usia pemakaian motor, secara perlahan-lahan isolasi mengalami penurunan kualitas isolasi (deterioration) (Muhammed Manif, 2005). Pengujian dan pemeliharaan isolasi secara rutin mampu menurunkan frekuensi kerusakan dan menekan biaya perbaikan akibat downtime yang tidak terduga. Temperatur dan pembebanan terus-menerus juga dapat mempengaruhi kualitas isolasi. Pengaruh ini dapat dideteksi dari nilai polarization indeks (PI) melalui rangkaian ekivalen tahanan isolasi (McKinnon, 2012). Motor induksi yang mengalami turn

  

fault dengan nilai kecil atau kurang dari 5 belitan, mempunyai nilai arus yang

  sama seperti keadaan normal. Sehingga sulit untuk mengetahui motor tersebut mengalami penurunan kualitas isolasi. Dengan menggunakan tes surja atau tes respon osilasi melalui metode error area ratio (EAR) hal ini dapat diketahui (Wiedenbrug, et al., June 2003) (Wilson, June 203).

  Publikasi mengenai penelitian percepatan penuaan isolasi terhadap waktu masih sedikit ditemui. Penelitian yang telah dilakukan hanya menunjukkan simulasi penurunan kualitas isolasi belitan motor terhadap pengaruh kelembaban, Penelitian tersebut tidak membahas pengaruh kelembaban tinggi disertai keadaan kontaminan dengan efek pembebanan motor sebelum pengujian (Wiedenbrug, et al., June 2003) (McKinnon, June 2010 ). Beberapa eksperimen laboratorium telah dilakukan untuk mensimulasikan penurunan kualitas isolasi menggunakan PI dan tes respon osilasi. Hasil dari eksperimen tersebut menunjukkan bahwa kedua metode ini efektif dan dapat digunakan untuk mengetahui percepatan penuaan isolasi (McKinnon, 2012) (Wiedenbrug, et al., June 2003). Sementara itu,

  1 pengukuran LCR meters digunakan untuk mendeteksi nilai induktansi, kapasitansi dan resistansi yang timbul akibat pengaruh kelembaban dan kontaminan didalam belitan stator.

  Pada penelitian ini, eksperimen percepatan penuaan isolasi pada motor induksi dilakukan dengan cara memberi beban terus-menerus lebih dari 24 jam pada kondisi kelembaban tinggi dan kelembaban mengandung kontaminan hingga mengalami gejala kerusakan. Selanjutnya, gejala kerusakan dievaluasi secara menyeluruh menggunakan metode PI, tes respon osilasi dan pengukuran LCR meters.

  1.2. Perumusan Masalah

  Permasalahan

• –permasalahan yang dibahas pada penelitian ini adalah :

  1. Kombinasi metode PI, tes respon osilasi dan pengukuran LCR meters dalam mendiagnosa percepatan penuaan isolasi.

  2. Pola atau tren penurunan tahanan isolasi akibat kelembaban tinggi dan efek kontaminasi garam pada motor berbeban.

  1.3. Tujuan Penelitian

  Tujuan dari penelitian ini adalah mengidentifikasi dampak signifikan percepatan penuaan isolasi motor berbeban terhadap pengaruh kelembaban dan efek kontaminasi menggunakan kombinasi metode PI, tes respon osilasi dan pengukuran LCR meters. Diharapkan dengan kombinasi metode tersebut perbandingan grafik penurunan tahanan isolasi diketahui, sehingga percepatan penuaan isolasi dapat antisipasi.

  1.4. Kontribusi Penelitian

  Penelitian ini diharapkan memberikan kontribusi sebagai berikut :

  1. Menjadi referensi baru untuk menganalisa percepatan penuaan isolasi motor berbeban menggunakan kombinasi metode PI, tes respon osilasi dan pengukuran LCR meters.

  2. Membantu operator industri untuk mengantisipasi pengaruh kontaminasi terhadap percepatan penuaan isolasi motor.

  2

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Pada bab dua ini, akan dibahas mengenai kontruksi dan isolasi stator,

  pengujian kondisi isolasi, penurunan kualitas isolasi, diagnosis kondisi isolasi dan standar pengujian alat.

2.1 Kontruksi dan Isolasi Stator

  Konstruksi belitan stator motor dapat dibedakan menjadi dua macam menurut kapasitas daya mesin, yaitu random-wound stator untuk mesin berkapasitas di bawah 100 kW dan form-wound stator untuk mesin berkapasitas besar antara 50 s.d 100 MVA. Random-wound stator biasa digunakan pada motor dengan rating tegangan di bawah 1 kV. Konstruksi belitan jenis ini terdiri dari konduktor tembaga terisolasi (magnet wire) yang dibelitkan secara kontinyu melalui slot-slot pada inti stator untuk membentuk sebuah koil (coil) (Stone, et al., 2004). Setiap lilitan (turn) dapat diletakkan secara acak (random) terhadap turn lainnya dalam satu koil seperti pada Gambar 2.1.

  

Gambar 2. 1 Konstruksi stator jenis random-wound stator.

  Berbeda dengan random-wound stator, form-wound stator digunakan pada motor bertegangan di atas 1 kV. Belitan statornya tersusun dari koil-koil terisolasi yang telah dibentuk sebelum dimasukkan pada slot-slot di inti stator. Konduktor tembaga pada form-wound stator tersusun dari konduktor-konduktor berukuran kecil (strand) yang terisolasi antara satu dengan lainnya. Selain itu, form-wound

  

stators mempunyai dua jenis belitan yaitu belitan dengan banyak gulungan

  

(multiturn coils) dan belitan batang (roebel bars) seperti ditunjukan pada Gambar

2.2.

  

(a) (b)

Gambar 2. 2 Kontruksi stator form-wound stator : (a) menggunakan multiturn coils (b) menggunakan roebel bars.

  Sistem isolasi pada bagian stator pada umumnya terdiri dari strand

  

insulation , turn insulation, dan groundwall insulation. Ketiga komponen ini

  mempunyai fungsi sebagai pencegah terjadinya short circuit pada motor. Untuk motor jenis random-wound stators, strand insulation berfungsi sebagai turn

  

insulation , yaitu berfungsi untuk mencegah short circuit antar belitan. Pada motor

  jenis form-wound stators, turn insulation mencegah short circuit antar belitan sedangkan strand insulation berfungsi untuk mencegah short circuit antar konduktor. Sementara itu groundwall insulation berfungsi untuk memisahkan konduktor tembaga dengan inti stator sehingga short circuit antara konduktor dengan ground tidak terjadi (Stone, et al., 2004).

  Isolasi sering sekali menjadi salah satu faktor pembatas dalam mendesain mesin listrik. Jika ketebalan isolasi meningkat maka ruang konduktor untuk membawa arus akan berkurang. Sehingga konduksi panas pada konduktor juga terbatas. Adapun kreteria yang harus dimiliki sistem isolasi pada stator mesin listrik, yaitu memiliki konduktivitas termal dan kekuatan dielektrik tinggi serta ketahanan yang tinggi terhadap partial discharge, abrasi (goresan), kelembaban dan uap minyak (Gill, 2009). Berdasarkan klasifikasi National Electrical

  

Manufacturers Association (NEMA) dan International Electrotechnical

Commission (IEC) 60085 sistem isolasi listrik dibagi menjadi beberapa kelas seperti kelas O, A, B, F, H dan C. Setiap kelas tersebut memiliki ketahanan yang berbeda-beda terhadap temperatur tertentu (Deshpande, 2010).

2.2 Penurunan Kualitas Isolasi

  Secara umum, faktor penuaan (aging factor) dapat dikelompokkan ke dalam empat macam, yaitu tekanan termal, elektris (electric), lingkungan

  

(ambient), dan mekanis (mechanical) (Stone, et al., 2004). Durasi tekanan (stress)

  pada isolasi dapat tergolong konstan atau hanya beberapa saat (transient). Jika kegagalan isolasi disebabkan oleh tekanan yang konstan maka waktu untuk mencapai kegagalan (time to failure) sebanding dengan durasi motor beroperasi. Pada tekanan yang transien, seperti ketika starting motor, waktu untuk mencapai kegagalan sebanding dengan sejumlah tekanan transien yang selama ini dialami oleh motor. Kerusakan isolasi antar belitan pada stator motor listrik diawali proses degradasi isolasi yang memunculkan hot spot antar belitan. Kegagalan ini banyak disebabkan oleh beberapa hal seperti berikut (Gill, 2009) :

  a. Faktor usia yaitu penurunan kualitas isoalasi yang disebabkan karena kerapuhan, penyusutan, dan retakan pada isolasi.

  b. Sebab listrik yaitu adanya efek panas yang ditimbulkan akibat corona, lightning switch surge , dan unbalance voltages serta kegagalan tes.

  c. Sebab mekanik yaitu terjadinya vibrasi, wedges longgar, akibat pengaruh kincir kipas, korelasi yang longgar, dan benda asing.

  d. Sebab termal yaitu beban lebih, panas berlebih yang muncul karena kegagalan isolasi, dan karena tape speration.

  e. Pengaruh lingkungan yaitu masuknya partikel magnetik, partikel debu, kelembaban, dan kontaminan berupa garam dan minyak.

  Kenyataan dilapangan, sebagian besar proses kegagalan isolasi terjadi akibat gabungan beberapa faktor diatas, butuh dua atau tiga faktor secara simultan. Semakin banyak tekanan yang terjadi maka besar pula tingkat penurunan kemampuan isolasi. (Stone, et al., 2004). Dampak dari pengaruh kelembaban tinggi pada motor juga bergantung pada temperatur titik embun (dew

  

point) , yaitu temperatur ketika uap air yang terkandung dalam udara terkondensasi

  menjadi titik-titik air (moisture). Apabila motor beroperasi di atas temperatur dew

  

point , tahanan isolasi tidak akan dipengaruhi oleh kelembaban. Sebaliknya,

  apabila temperatur motor menurun hingga di bawah dew point, uap air yang terkondensasi menjadi embun akan menempel pada belitan. Hal ini yang menyebabkan belitan menjadi basah sehingga nilai tahanan isolasi menurun (Stone, et al., 2004) (Jones, et al., 2002).

  Sementara itu, kontaminasi terhadap belitan mengakibatkan electrical

  

tracking pada isolasi. Kejadian ini memungkinkan arus listrik mengalir pada

  permukaan isolasi terutama pada bagian end-winding. Aliran arus tersebut akan mendegradasi isolasi dan pada akhirnya menyebabkan kerusakan isolasi

  

groundwall . Pada kontruksi belitan form-wound stator, electrical tracking

  merupakan faktor utama kegagalan isolasi. Sebaliknya kontruksi random-wound

  

stator membutuhkan lubang kecil (pinhole) atau retakan (crack) terlebih dahulu

  untuk menimbulkan penurunan kemampuan isolasi. Ketika belitan terdapat lubang kecil atau retakan, kontaminan yang bersifat konduktif akan memudahkan arus untuk mengalir antar turn. Sehingga tahanan isolasi akan menjadi sangat rendah dan timbul arus sirkulasi yang besar antar turn dan short circuit antar turn yang diikuti dengan ground fault (Stone, et al., 2004).

2.3 Diagnosis Kondisi Isolasi

  Ada berbagai metode pengujian yang digunakan untuk menilai kondisi isolasi. Satu pengujian belum dapat mewakili kondisi sebenarnya, namun memerlukan beberapa pengujian lanjutan. Pada penelitian (Muhammed Manif, 2005) dijelaskan beberapa urutan pengujian untuk mendiagnosis kondisi isolasi motor yaitu tahanan belitan, tahanan isolasi, PI, step voltage dan tes gelombang osilasi (surja).

  2.3.1 Pengujian tahanan isolasi Pengujian isolasi secara rutin mampu menurunkan frekuensi kerusakan dan mampu menekan biaya pemeliharaan. Berikut metode yang sering digunakan dalam mendeteksi kerusakan belitan stator yaitu pengujian tahanan isolasi (megger test) (Gill, 2009).

  1. Tahanan isolasi Tahanan isolasi atau Insulation Resistance (IR) merupakan ukuran konduktivitas atau kemapuan isolasi belitan menahan besar arus yang dilewati.

  Pengujian tahanan isolasi diperlukan untuk mengetahui kondisi isolasi akibat pengaruh kelembaban, kontaminasi, dan cacat (defect) yang serius pada isolasi. Pengujian menggunakan metode ini sangat bergantung pada volume dari bahan isolasi yang akan diujikan. Tahanan isolasi dengan sendiri dapat menunjukkan kelemahan dari bahan isolasi maupun total kekuatan dielektrik suatu bahan isolasi (Gill, 2009). Kualitas tingkat isolasi sangat bergantung beberapa faktor seperti pengaruh temperatur, kelembaban, waktu operasi dan faktor lingkungan. Prosedur pengujian tahanan isolasi yang direkomendasikan untuk mesin elektromekanis telah diatur da(IEEE) Std 43-2013 (Committee, 2013). Nilai tahanan isolasi dirumuskan pada Persamaan (1).

  ( )

  (1)

  

=

( )

  Dimana nilai pembacaan merupakan tahanan isolasi dalam megaohm,

  ( )

  tegangan DC dalam volt dan adalah nilai arus dalam mikroampere seconds

  ( )

  setelah pemberian tegangan uji. Pengujian tahanan isolasi memiliki tiga jenis tes yang umum dilakukan (Gill, 2009) : a. Short-Time Reading

  Bertujuan untuk mengukur tahanan isolasi dalam waktu yang singkat yaitu sekitar 30 sampai 60 detik. Pengecekan secara fisik dilakukan secara sekilas saja untuk memeriksa kondisi fisik isolasi. Setelah itu dilakukan beberapa kali pengambilan data pengujian dalam hitungan detik. Hasil perbandingan hasil pembacaan dengan hasil pembacaan pengujian sebelum sangat penting. Apabila terdapat indikasi hasil pengujian yang terus menurun maka mengindikasikan terjadi kerusakan.

  b. Time-Resistance Reading Metode time-resistance ini sangat tergantung pada temperatur dan ukuran media isolasi. Rasio dari pembacaan time-resistance reading dapat menunjukkan kondisi sistem isolasi. Sistem isolasi yang baik akan

  Baik > 4 Sangat Baik

  merupakan nilai tahanan isolasi pada waktu satu menit dan

  2

  Buruk

  1

  Nilai Indeks Polarisasi (PI) Kondisi Isolasi < 1 Sangat Buruk (Berbahaya)

  

Tabel 2. 1 Definisi nilai PI yang terukur (Fluke Corperation, 2007).

  merupakan nilai tahanan isolasi pada waktu sepuluh menit. Selain sebagai petunjuk kekeringan dan kebersihan dari lilitan stator motor. PI juga dapat digunakan untuk menentukan lilitan stator motor dalam peralatan aman untuk digunakan dan dioprasikan atau layak dilakukan untuk pengujian tegangan lebih.

  10

  1

  menunjukkan kenaikan nilai tahanan isolasi selama periode waktu pengujian megger dilakukan. Sedangkan sistem isolasi yang terkontaminasi oleh kelembaban, kotor, terkelupas akan menunjukkan hasil pengujian yang rendah. Pada sistem isolasi yang baik, efek dari

  (2) Nilai PI merupakan polarization indeks atau indeks polarisasi,

  1

  10

  =

  2. Polarization indeks Indek polarisasi atau Polarization indeks (PI) adalah petunjuk kekeringan dan kebersihan dari lilitan stator motor. Petunjuk ini berupa rasio nilai tahanan isolasi pada waktu satu menit pertama terhadap nilai tahanan isolasi pada waktu sepuluh menit. Nilai PI dirumuskan pada Persamaan (2) dibawah ini.

  c. PI Test : pada metode pengujian ini memiliki spesialisasi dari dielectric absorption test.

  sistem isolasi yang buruk efek absorption current akan dipengaruhi oleh high leakage current .

  absorption current akan mengurangi pengaruh waktu. Sedangkan pada

• – 2
• – 4

Jika pengujian berkelanjutan untuk periode selama 10 menit dilakukan, megaohm meter akan mempunyai kemampuan untuk mempolarisasikan atau mengisi kapasitansi tinggi ke isolasi stator motor, dan pembacaan resistansi akan meningkat jika isolasi stator bersih dan kering. PI memiliki nilai minimum yang direkomendasikan menurut IEEE Std 43-2013 (ditunjukkan oleh Tabel 2.1). Apabila hasil pengukuran menunjukkan nilai yang kurang dari nilai minimum, pengoperasian mesin atau pengujian tegangan lebih pada belitan tidak direkomendasikan (Committee, 2013).

  2.3.2 Tes respon osilasi Tes gelombang osilasi merupakan rangkaian pembangkit gelombang implus dengan menggunakan rangkaian seri ekivalen resistansi, indukstansi dan kapasitansi. Tes gelombang isolasi juga sering disebut pengujian surja dengan pembangkitan tegangan tinggi DC. Untuk menganalisis gelombang tersebut digunakan metode error area ratio (EAR) seperti berikut :

  1. Surge test Pengujian surja atau surge test adalah pengujian dengan memberikan pulsa

  

short current dengan rise time tertentu pada belitan stator mesin listrik sehingga

  timbul tegangan induksi antar belitan (Grubic, et al., Dec. 2008). Jika tegangan yang diberikan melebihi batasan tegangan maksimum dari isolasi, maka akan muncul busur api dan menyebabkan perubahan nilai induktansi. Pada proses ini dapat diamati perbedaan respon respon osilasi (impuls) atau gelombang impulse

  (surge) seperti pada Gambar 2.3 (Wiedenbrug, et al., June 2003).

  

Gambar 2. 3 Tegangan impuls surja [3]. S S L

  

Induction

• Motor

  V _{test C}

  V IM test C M Motor

induksi

  R

  (a) (b)

  Gambar 2. 4 a. Kontruksi pengujian tes surja dan b. Rangkaian ekivalen dari tes respon osilasi (Grubic, et al., 2011).

  Setiap pulsa respon motor akan menghasilkan respon tegangan impuls, dan frekuensi resonanasi (Gill, 2009). Jika dilihat kontruksi pengujian ini membentuk rangkaian ekivalen RLC yang terhubung seri seperti ditunjukkan pada gambar 2.4a dan 2.4b. Sehingga apabila motor mengalami kerusakan isolasi otomatis nilai induktansi (L) akan berkurang dan berakibat perubahan nilai frekuensi tegangan impuls dan pergeseran bentuk gelombang setelah diamati. Persamaan nilai frekuensi ini di oleh persamaan tunjukkan persamaan (3) dan (4) (Institute, 1992) :

  2

  1 (3)

  √ 1 =

  2

  2 −

  4 Nilai menunjukkan nilai frekuensi osilasi yang terjadi, induktansi belitan motor, dan kapasitansi dari kapasitor surja yang digunakan serta merupakan

  2

  1

  resistansi total rangkaian. Dikarenakan nilai jauh lebih kecil dari maka

  2

  4

  persamaan dapat direduksi menjadi [14] :

  1 (4)

  √ 1 =

  2 Dari persamaan (4) dilihat bahwa nilai induktansi berbanding terbalik dengan nilai frekuensi respon tegangan impuls. Ketika isolasi antar belitan mengalami kerusakan akan terjadi short antar belitan sehingga nilai induktansi akan berkurang. Pegurangan nilai yang sifnifikan akan merubah gelombang respon dari motor normal.

  2. Pembangkit tegangan tinggi searah Secaara umum pembangkitan tegangan tinggi searah dilakukan dengan penyearahan tegangan tinggi bolak balik melalui diode, kemudian dapat dilipat gandakan. Seperti pada rangkaian cockcroft-walton multiplier (CWM). Rangkaian seperti ini tersusun dari rangkaian pengali tegangan yang terdiri kapasitor dan dioda. Rangkaian tersebut mengkonversi tegangan rendah AC atau tegangan DC berpulsa menjadi tegangan DC yang lebih tinggi dengan nilai arus yang rendah (K. & Daigavane M. B. , July 2011). Skema rangkaian cockcroft-walton dapat dilihat pada Gambar 2.5.

  Gambar 2. 5 Rangkaian Cockcroft-Walton Multiplier (K. & Daigavane M. B. ,

  July 2011) Rangkaian cockcroft-walton memeiliki keunggulan berupa tegangan setiap tahap

  

cascade mempunyai nilai yang sama dengan dua kali tegangan input puncak

  penyearah setengah gelombang. Dalam penyearah gelombang penuh itu adalah tiga kali tegangan input. Ini memiliki keuntungan dari memerlukan komponen biaya yang relatif rendah dan menjadi mudah untuk mengisolasi. Satu juga dapat menekan output dari setiap tahap, seperti transformator multitapped. Operasi rangkaian Cockcroft-Walton Multiplier atau pengali tegangan, cukup sederhana. Tegangan output, dengan asumsi setiap komponen bekerja dengan kondisi yang ideal, adalah dua kali tegangan input puncak dikalikan dengan jumlah stage dalam

  multiplier (K. & Daigavane M. B. , July 2011).

  3. Error area ratio Metode error area ratio (EAR) merupakan salah satu metode paling efektif yang digunakan untuk menganalisis gelombang osilasi. Hal ini dikarenakan sensitifitas yang sangat tinggi terhadap perubahan gelombang osilasi (Grubic, et al., 2011).

  Rumus modified EAR adalah sebagai berikut :

  (1) (2) N N

|∑ |F i=1 i |−∑ |F i=1 i | |

  (5) EAR= (1) ×100

  N

∑ |F |

j=1 j

  (1) (2)

  Nilai merupakan poin ke-i pada gelombang referensi dan adalah poin ke-i pada gelombang pengujian. Perbandingan perubahan gelombang tersebut maka akan didapatkan nilai EAR. Metode EAR sendiri dibagi menjadi tiga yaitu

  

Pulse to Pulse EAR (P-P EAR), Line to Line EAR (L-L EAR) dan Test-Ref EAR

(Baker, n.d.).

  a.

   Test-Ref EAR% : Pengujian ini digunakan ketika motor dalam jumlah